礦質(zhì)混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能試驗(yàn)分析

◎ 深圳市鹽田港建筑工程檢測(cè)有限公司 劉永紅

1.問題的提出

在我國(guó)高等級(jí)公路的建設(shè)中，半剛性材料被用作公路路面的基層材料，并在目前的公路建設(shè)中占有越來(lái)越重要的位置。在這些材料中，特別是水泥穩(wěn)定碎石基層具有較高的強(qiáng)度和承載能力，主要表現(xiàn)在具有較高的抗壓強(qiáng)度和剛度，一定的抗彎拉強(qiáng)度，并且它們都具有隨著齡期不斷增長(zhǎng)的特性，因此水泥穩(wěn)定碎石基層通常具有較小的變形和荷載擴(kuò)散能力。修在這種基層材料的瀝青面層彎拉應(yīng)力值相應(yīng)較小，從而提高了瀝青面層抵抗車荷載疲勞破壞的能力，其次，它還具有較好的穩(wěn)定性。

盡管水泥穩(wěn)定碎石混合料被用作路面基層時(shí)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但并不是所有采用水泥穩(wěn)定碎石混合料作路面基層的道路結(jié)構(gòu)都能獲得預(yù)期的效果。隨著水泥穩(wěn)定碎石混合料在我國(guó)的大量使用，逐漸發(fā)現(xiàn)把它用于基層時(shí)也存在著一些有待解決的問題。

由于水泥穩(wěn)定碎石呈脆性，且對(duì)溫度、濕度的變化比較敏感，在施工及使用過程中，會(huì)在溫度或濕度交替變化時(shí)容易產(chǎn)生收縮開裂。從己建成的高速公路使用調(diào)查來(lái)看，水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫問題日益突出，并己成為該結(jié)構(gòu)的主要缺陷。

早期的裂縫對(duì)行車并無(wú)明顯的影響，但隨著表面雨水的侵入，在大量行車荷載反復(fù)作用下，會(huì)導(dǎo)致路面強(qiáng)度明顯下降，產(chǎn)生沖刷和唧泥現(xiàn)象，使裂縫加寬，裂縫兩側(cè)的瀝青面層碎裂，影響了瀝青路面的使用性能。

鑒于上述問題，有必要對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料作為基層的配合比設(shè)計(jì)、路用性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，尋求一種比較合理的集料級(jí)配，使其呈現(xiàn)較好的路用性能。這對(duì)最大限度地減少收縮裂縫，延長(zhǎng)道路使用壽命，有著一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2.礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)

2.1 水泥穩(wěn)定碎石組成級(jí)配類型

2.1.1 連續(xù)級(jí)配（骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)）

連續(xù)級(jí)配是某一礦料在標(biāo)準(zhǔn)套篩中進(jìn)行篩分后，礦料的顆粒由大到小連續(xù)分布，每一級(jí)都占有適當(dāng)?shù)谋壤?。三軸試驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)的混合料不僅具有較高的內(nèi)摩阻角，而且具有較高的粘結(jié)力。屬于這種結(jié)構(gòu)類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料具有最優(yōu)的力學(xué)性能，抗收縮性能和抗沖刷性能等。

2.1.2 間斷級(jí)配（懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)）

在礦料顆粒分布的整個(gè)區(qū)間內(nèi)，從中間剔除一個(gè)或幾個(gè)連續(xù)粒級(jí)，形成一種不連續(xù)的級(jí)配。這種結(jié)構(gòu)中的細(xì)集料較多，而粗集料較少，且相互之間沒有接觸，不能形成骨架粗顆粒，猶如懸浮于細(xì)顆粒之中。三軸試驗(yàn)表明，該種結(jié)構(gòu)雖然具有較高的粘結(jié)力，但內(nèi)摩阻角較低，其強(qiáng)度主要受粘結(jié)力所控制，在外部荷載的作用下，易產(chǎn)生破壞。按這種結(jié)構(gòu)修筑的水泥穩(wěn)定碎石基層，其路用性能受結(jié)合料性質(zhì)的影響較大，特別是其抗收縮性能較差，基層容易產(chǎn)生收縮裂縫，裂縫的產(chǎn)生嚴(yán)重破壞了基層的整體性，這樣很容易造成路面結(jié)構(gòu)的破壞，因此，應(yīng)避開集料形成懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)。

2.1.3 連續(xù)開級(jí)配（骨架空隙結(jié)構(gòu)）

整個(gè)礦料顆粒分布范圍較窄，從大到小僅在數(shù)個(gè)粒級(jí)上以連續(xù)的形式出現(xiàn)，形成連續(xù)開級(jí)配。在這種結(jié)構(gòu)中，一般是粗集料較多，而細(xì)集料數(shù)量過少，集料能夠形成骨架，但其殘余空間較大。三軸試驗(yàn)表明，雖然這種結(jié)構(gòu)粘結(jié)力較低，但其內(nèi)摩阻角較大，其強(qiáng)度主要取決于內(nèi)摩阻力。因此形成的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石層，受結(jié)合料性質(zhì)的影響較小，因而其具有收縮性能較好。但這種結(jié)構(gòu)的空隙率太大，使基層的耐久性受到影響。

綜上所述，礦質(zhì)混合料中各組成成分的空間位置排列不同，就會(huì)導(dǎo)致混合料整體性質(zhì)發(fā)生變化，而連續(xù)級(jí)配中的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)汲取了懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)和骨架空隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。在振碾工藝條件下，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)能夠合粗細(xì)集料之間的緊密嵌擠作用發(fā)揮出來(lái)，提高混合料各方面的性能指標(biāo)。

2.2 礦料的組成設(shè)計(jì)方法

由于工程實(shí)際中由料場(chǎng)提供的各規(guī)格集料往往很難直接滿足設(shè)計(jì)級(jí)配的要求，所以往往要采用兩種或兩種以上集料結(jié)合起來(lái)使用。

2.2.1 計(jì)算法進(jìn)行礦料的配合比設(shè)計(jì)

（1）建立基本計(jì)算方程

以三種規(guī)格的集料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)為例。設(shè)有A、B、C三種集料在某一篩孔上的分計(jì)篩余分別為αA（i）、αB（i）、αC（i），打算配制礦質(zhì)混合料M，混合料M在相應(yīng)篩孔上的分計(jì)篩余百分率為αM（i）。設(shè)A、B、C三種集料在混合料中的比例分別為X、Y、Z。則得下式。

（2）基本假設(shè)

在礦質(zhì)混合料中，假定混合料中某一級(jí)粒徑的顆粒僅由這三種集料中的一種集料來(lái)提供，而其他兩種集料中不含這一粒徑的顆粒，此時(shí)這兩種集料相應(yīng)的分計(jì)篩余百分率為零。如設(shè)在i粒級(jí)僅A集料在此粒級(jí)上存在分計(jì)篩余，其他兩個(gè)集料B和C的分計(jì)篩余全部是零，從而簡(jiǎn)化計(jì)算過程。

（3）計(jì)算

根據(jù)上述假設(shè)，式（1-2）成為：

αA（i）X=αM（i）

而A集料在混合料中所占的比例為：

同理，按此假設(shè)可計(jì)算C集料在混合料中的比例。設(shè)在j粒級(jí)上其他兩個(gè)集料A和B在該粒徑上的分計(jì)篩余百分率也是零，則有：αC（j）Z=αM（j）

即C集料在混合料中的比例是：

最后得到B集料在混合料中的比例：

Y=100%-X-Z

（4）校核調(diào)整：

對(duì)以上計(jì)算得到的各集料比例即配合比要進(jìn)行驗(yàn)算，如得到的合成級(jí)配不在所要求的級(jí)配范圍，應(yīng)調(diào)整初步配合比并重新驗(yàn)算，直到滿足級(jí)配要求為止。

2.2.2 圖解法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)

（1）繪制框圖

按比例繪制一矩形框圖，從左下向右上引對(duì)角線OO’，作為合成級(jí)配的中值，見下圖2-1。縱坐標(biāo)表示通過量百分率刻度；橫坐標(biāo)則表示篩孔尺寸，而各個(gè)篩孔具體位置則根據(jù)合成級(jí)配要求的某篩孔通過率百分率中值，在縱坐標(biāo)上找出該中值的位置，然后從縱坐標(biāo)引水平線與對(duì)角線相交，再?gòu)慕稽c(diǎn)處向下做垂線，垂線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為該篩孔相應(yīng)位置。依此類推，找出全部篩孔在橫坐標(biāo)上的具體位置。

（2）確定各集料用量

將參與級(jí)配合成的各集料的通過量繪制在框圖中，用折線的形式連成級(jí)配曲線。假設(shè)以四種集料進(jìn)行級(jí)配合成，根據(jù)框圖中相鄰兩條級(jí)配曲線的關(guān)系，確定各集料在混合料中的摻配比例。

（a）重疊關(guān)系∶

相鄰兩條曲線相互重疊，圖2-1集料A的級(jí)配曲線下部與集料B

圖2-1

的級(jí)配曲線上部搭接。針對(duì)這種相鄰關(guān)系，在兩條級(jí)配曲線之間引一條垂線AA’，要求該垂線與集料A的級(jí)配曲線和集料B的級(jí)配曲線所截取的截距相等，即a=a’。此時(shí)垂線與AA’對(duì)角線OO’相交于點(diǎn)M，再通過點(diǎn)M引水平線與縱坐標(biāo)交于P，OP線段的幾何長(zhǎng)度就是集料的A的用量比例。

（b）相接關(guān)系：相鄰兩條曲線首尾相接，圖2-1中集料B的末

端與集料C的首端正好相接。針對(duì)這種相鄰關(guān)系，此時(shí)只需從C集料的首端向B集料的末端引垂線BB’，該垂線與對(duì)角線OO’相交于點(diǎn)N，過點(diǎn)N引水平線與縱坐標(biāo)交于點(diǎn)Q，則PQ線段的幾何長(zhǎng)度就是B集料的用量比例（%）。

（c）分離關(guān)系：相鄰兩條曲線分離，圖2-1中集料C的級(jí)配曲線與集料D的級(jí)配曲線在水平方向彼此分離。此時(shí)做一條垂線CC’平分這段水平距離，要求b=b’。垂線CC’與對(duì)角線OO’交于點(diǎn)R，通過該點(diǎn)引水平線與縱坐標(biāo)交于點(diǎn)S，則OS線段的幾何長(zhǎng)度就代表集料C的用量比例（%）。剩余的ST即為集料D的用量比例。

（d）與試算法相同，根據(jù)圖解過程求得的各集料用量比例，計(jì)算出合成級(jí)配的結(jié)果。當(dāng)合成級(jí)配超出級(jí)配范圍時(shí)，說明圖解法得到的比例不是很合適，需要進(jìn)行各集料的用量調(diào)整，直到滿足設(shè)計(jì)級(jí)配的要求為止。

2.2.3 計(jì)算法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)實(shí)例

［題目］深圳市大工業(yè)區(qū)金牛西路市政工程水泥穩(wěn)定碎石層礦質(zhì)混合料配合比設(shè)計(jì)

表2-1

［原始資料］現(xiàn)有5～31.5mm碎石、5～10mm碎石、石粉渣三種礦質(zhì)材料，計(jì)算法過程列如表2-1

按計(jì)算法由此得出的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的摻入比例為：

5～31.5mm碎石占40%；

5～10mm碎石占30；

石粉渣占30%。

3.水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能研究

通過前面的試驗(yàn)，確定了水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比的試驗(yàn)方法，為了評(píng)價(jià)用以上方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的效果，必須對(duì)設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行一些路用性能試驗(yàn)。如力學(xué)性能、抗沖刷性能、抗收縮性能等指標(biāo)。

3.1 力學(xué)性能分析

3.1.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)規(guī)律

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能的一個(gè)重要指標(biāo),在《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JGJ034-2000)中,對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料應(yīng)用于各級(jí)公路的指標(biāo)就是混合料7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但7d強(qiáng)度不能反映出其后期強(qiáng)度特性。對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度，不但要了解其早期的變化規(guī)律，還需要了解其發(fā)展規(guī)律。本文分別對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的7d、28d、90D強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，從而掌握其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度長(zhǎng)期性能的規(guī)律性。

將養(yǎng)生至齡期且飽水24h后的試件放在路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺(tái)上，使試件的形變以約1mm/min的等速率增加進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

抗壓強(qiáng)度結(jié)果表現(xiàn)如表3-1：

由上圖可以看出，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度隨齡期的增加而增長(zhǎng)，在齡期小于28d時(shí)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大；在齡期大于28d時(shí)，強(qiáng)度基本上呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)且增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》（JTJ034-2000）對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料用在高等級(jí)公路的基層時(shí)，7d的強(qiáng)度要求為3～5MPa。而用第二章的方法配制的水泥穩(wěn)定碎石混合料的7d強(qiáng)度超過了這個(gè)范圍的最大值的5%，28d超過最大值的20%左右。

3.1.2 抗壓回彈模量試驗(yàn)

抗壓回彈模量的測(cè)定采用頂面法。首先用水泥凈漿和0.25～0.50mm的細(xì)砂將試件的兩個(gè)端面整平并浸水24h。將浸水24h的試件取出用布擦干并放在加載底板上，在試件頂面撤少量的細(xì)砂，以增加頂板與試件的接觸面積。把試件放到路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺(tái)上，然后安置千分表。安置千分表時(shí)，應(yīng)使千分表的腳支在加載頂板直徑線的兩側(cè)并離試件中心距離大致相等。為了能夠使加載頂板與試件表面緊密接觸，調(diào)整千分表的指針，以便試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的記錄。將預(yù)定的單位壓力分成5～6個(gè)等分，作為每次放回的壓力值。施加第1級(jí)荷載（為預(yù)定最大荷載的1/5），待荷載作用達(dá)1min時(shí)，記錄千分表的讀數(shù)，同時(shí)卸去荷載，讓試件的彈性變形回復(fù)。到0.5min時(shí)記錄千分表的讀數(shù)。如此逐級(jí)進(jìn)行，同時(shí)卸去荷載，讓試件的彈性變形回復(fù)。以單位壓力P為橫坐標(biāo)，以回彈形變?yōu)榭v坐標(biāo)，繪制曲線，修正曲線開始段的虛假變形。按下式計(jì)算回彈模量E：

E=PH/l

式中：P—單位壓力（MPa）

H—試件高度（mm）

l—試件回彈變形（mm）

表3-3

回彈模量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)基層的回彈模量要求是比較嚴(yán)格的。因?yàn)榛鶎拥穆酚眯阅軐?duì)回彈模量的大小變化非常敏感，嚴(yán)重影響基層的抗裂性。試件在不同齡期的抗壓回彈模量變化規(guī)律結(jié)果見表3-2

從圖3-2可以看出，回彈模量增長(zhǎng)規(guī)律同強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律基本一致?；貜椖Ａ吭鲩L(zhǎng)規(guī)律解釋是：穩(wěn)定類材料抗壓回彈模量取決于原材料本身模量、反應(yīng)生成物模量及其組成結(jié)構(gòu)型式等。初期由于反應(yīng)則進(jìn)行，膠結(jié)料的形成不足以使混合料具有較高的強(qiáng)度，因此早期回彈模量主要由材料組成結(jié)構(gòu)形成及原材料本身模量決定，所以表現(xiàn)為很小。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，膠結(jié)物不斷生成，合顆粒之間連接和整體結(jié)構(gòu)逐步加強(qiáng)，所以在圖上表現(xiàn)為回彈模量逐步增大。由第二章配制的水泥穩(wěn)定混合料具有較好的回彈模量。

3.2 壓實(shí)度試驗(yàn)

通過第二章配制的混合料配合比，摻入6%的P.C32.5水泥 ,制成6%水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料。用機(jī)械攪拌,混合料的攤鋪采用WTU95D型攤鋪機(jī),壓路機(jī)采用3Y18×21型壓路機(jī)、YZ14B型振動(dòng)壓路機(jī)和YZ20JC型振動(dòng)壓路機(jī)。碾壓的過程為：先用YZ14B型振動(dòng)壓路機(jī)靜壓兩遍，再用YZ20JC型振動(dòng)壓路機(jī)振碾三遍，然后用3Y18×21型壓路機(jī)靜壓一遍。碾壓完成后，進(jìn)行壓實(shí)度試驗(yàn)，試驗(yàn)采用灌砂法。試驗(yàn)結(jié)果如表3-3：

小結(jié)：

從力學(xué)性能無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過規(guī)范的要求并且回彈模量指標(biāo)也較好，壓實(shí)度指標(biāo)均勻性好，具有穩(wěn)定的壓度度，對(duì)于提高基層的路用性能非常重要。因此，采用第二章設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料，即骨架型水泥穩(wěn)定碎石層具有較好的綜合路用性能。

表3-1

表3-2